开源硬件能否赶上 Linux 的成功

今年是第 30 个 Linux 内核发布周年纪念日。作为开源软件运动的基础，开源代码催生了数百个使用免费公共 Linux 发行版的项目。结果是一长串健壮、稳定和灵活的产品。

鉴于其成功，是否可以将相同的方法应用于支持开源硬件的采用？像 RISC-V 这样的指令集架构 (ISA) 能否像 Linux 内核作为开源软件的基础一样，为开源硬件的激增奠定基础？

答案是肯定的和否定的。

目前的架构，RISC-V 是开放的，可作为标准使用，允许围绕它构建产品的自由、灵活性和速度。但另一方面是硬件更复杂，堆栈中有多个层，这意味着它不像运送软件包那么简单。

我们对 RISC-V 硬件生态系统中的利益相关者进行了调查——OpenHW Group、RISC-V International、NXP Semiconductors 和 Andes Technology。我们研究了与开源软件的相似之处、采用开源硬件的障碍以及支持社区和生态系统的重要性。

最后，我们考虑：开源硬件对商业芯片制造商意味着什么？

质量、支持生态系统是关键

OpenHW 集团总裁兼首席执行官里克·奥康纳 (Rick O'Connor) 将 RISC-V 等同于 Linux 内核“RISC-V ISA 实际上就是 Linux 最初的内核，其他开源软件项目和倡议如雨后春笋般涌现结果，”奥康纳告诉 EE Times . “当然，内核是 20 年前软件方面的种子，我认为 ISA 是硬件方面的种子。”

尽管如此，在采用开源硬件方面仍然存在障碍。 “当然，其中之一就是质量，”奥康纳补充道。 “例如，如果你在大批量芯片或 SoC [片上系统] 公司工作，你不会走进你老板的办公室，把你的徽章押在你下载的这个 IP 块上并说'我们基于来自大学的这个很酷的核心“准备好了”，我们应该把它放在我们的大容量 SoC 中。'”

因此，该组织提倡开放式验证流程，“人们可以使用并查看生态系统所取得的质量和成果，[然后] 生产出大批量 SoC 公司所期望的，如果他们完全依靠自己的自己的，”奥康纳说。

该小组还指出，业界对 RISC-V 和 RISC-V International（监管核心 ISA 规范的基金会）的作用存在误解。

“人们一直认为基金会是关于开发核心的，”奥康纳说。 “不是。它是关于开发一系列定义指令集架构的规范。然后有各种不同的采用选项：商业的、开源的、闭源的、盈利的、非盈利的、用不同的语言编写的，这取决于你最喜欢的逻辑捕获语言是什么。”

在这方面，他强调 OpenHW Group 不仅仅是关于 RISC-V 内核。 “我们真正关注的是开发可用于不同大小 SoC 的异构集群计算所需的工件。将不同类型的内核、加速器和我们需要的所有各种块进行集群。”

O’Connor 断言，这正是 RISC-V ISA 发挥关键作用的地方，它开辟了“创新的新领域”。 “它让任何人都可以将核心拼接在一起，无需与任何人签署协议。下载 ISA 规范，然后我们开始吧。从这个角度来看，它一直是一个关键的推动因素。如果您回想 20 年前，Linux 内核的实现有很多很多 — 远远超过我们今天的数量。

“我们对硬件行业的挑战是，我们如何围绕 RISC-V 实现五六个可持续的内核系列。”

恩智浦半导体研发软件工程副总裁 Rob Oshana 表示，开源硬件的发展方式与开源软件的发展方式大致相同。 “Linux 是数千名开发人员使用并以协作方式贡献的实际源代码”，来自 Linux 内核档案。

“RISC-V International 拥有一个规范，而不是一个实现。该规范以非常协作的方式发展，鉴于 RISC-V 社区和生态系统的当前状态，它已被证明是有效的，”Oshana 说。

“由于该基金会不拥有开放实施，OpenHW Group 正在通过章程来填补这一空白，以开发免费、开放、免版税的实施 [s]，以及像 Linux 基金会一样的其他抵押品。”

需要：社区支持，而不仅仅是规范

随着开源从软件扩展到硬件，对社区或合作伙伴生态系统参与的需求不断增长。 “任何开放的社区都需要培育、照顾和喂养。将某些东西扔进 Git 并称其为“开放”总是失败。需要一个社区，”Oshana 争辩道。

“如果不是社区努力构建内核、电路板、软件和参考平台，OpenHW Group 内核就不会成功。”他补充说，OpenHW Group“正在利用最佳实践使这项硬件技术也取得成功”。

Oshana 认为，关键是利用最佳实践并“以持续的速度投资真正的工程，以实现并保持 [硬件开发] 的成功”。 “每个发行版在某些方面都是独一无二的。”

同时，开源工具也在不断发展。 “随着时间的推移，我们需要一套可靠的基于硬件的工具来支持这一点，”Oshana 指出。他和其他人认为，衡量一个开放社区的真正标准是参与程度。例如，一旦发布实施，一个关键指标是用户社区如何管理变更请求、错误修复等。 “这相当于 Linux 中的上游过程，”Oshana 说。 “维护者的角色需要明确。”

RISC-V International 的首席技术官 Mark Himelstein 也加强了这一社区方面。 “Linux 不一定是最好的操作系统，但为什么人们会采用它？因为有社区和支持。魔法是所有权的骄傲。现在使用 Linux 是轻而易举的事，有了 RISC-V，我认为我们是硬件的 Linux。我相信在五到十年的时间里，RISC-V 将同样成为硬件的明智之选。”

硬件比软件更坚固

开源硬件和软件的主要区别在于整个堆栈的复杂性。 “看看今天生产的大部分硅片——其中超过 95% 是在基于 Verilog 的工具流程和该生产版本的商业验证基础设施中生产和验证的，”奥康纳说。 “因此，如果我们希望有人采用这些内核，就需要将它们轻松地融入商业工具流程中。”

SoC 厂商大多使用 SystemVerilog Universal Verification Methodology 验证环境。 “我们不会试图教导或说服他们使用不同的东西，”奥康纳说。 “如果我们真的希望 RTL​​ 采用这些开源块，它们需要能够加入该工具流程。”

尽管如此，硬件的物理特性仍然存在软件开发人员没有遇到的问题。 “直接从半导体晶圆厂几何级的物理学来看，晶圆厂工艺背后的配方，”奥康纳指出，他引用了在较大节点的工艺设计等领域的工作令人鼓舞。

“你有晶圆厂的配方，最重要的库，那些用于生产 GDSII 的 CAD 工具的物理层和掩模技术本身；然后是生产掩模的设备，用于验证设计的仿真和验证软件和工具，用于捕获和综合设计的综合工具，然后是用于这些设计的 IP，”他解释说。

“该堆栈中的所有这些层都拥有与每一层相关的深厚专利组合，这些专利组合已经开发了数十年。而且每一层之间都有很多联系。因此，尝试用开源实现和工具立即替换整个堆栈并不是任何商业公司都会尝试做的事情，”奥康纳指出。

OpenHW Group 的创始人考虑是否创建一个专门针对 RISC-V 内核的生态系统。他们最终决定不这样做。

奥康纳说他们的第一个目标是创造这些核心。 “但我们正在以解决开源硬件实施挑战的愿景和心态来做这件事。换句话说，让构建具有通用构建块的异构集群变得容易，并且您可以使用自己的秘诀（围绕它构建的加速器和扩展）对其进行定制。”

这涉及在通用元素上进行协作并在软件工具级别、硬件 RTL 级别甚至验证级别定义接口点。 “然后，您的增值就是您如何修改通用构建块集以添加自定义加速，构建这些实现您的秘密加速器算法的自定义异构集群。因此，概念是 RISC-V 作为 ISA 让我们开始在处理器核心级别上引人注目的通用构建块，然后在此基础上进行构建。始终利用最好的商业工具为实施者提供高度的信心。

“所以，IP 是他们可以信任的东西。”

他预测开源 FPGA 将很快出现，最终将出现 SoC。

商业视角

Andes Technology 是商业公司如何插入开源基础设施的一个例子。这家台湾公司已推出多款基于 RISC-V 的处理器，并已公布了许多客户实施方案。

除了为 SK Telecom 和 Renesas 设计其 RISC-V 内核外，Andes 最近宣布 EdgeQ，一家开发 5G 基站芯片的初创公司，将使用其核心 RISC-V 许可证和 Andes 定制扩展来提供开放和可编程的具有集成人工智能的 5G 平台。自定义扩展将允许 EdgeQ 设计、扩展和自定义他们自己的指令集，以实现他们声称当前无线基础设施无法满足的新颖性能、功能和功率配置文件。

Frankwell Lin

“RISC-V 对我们来说是硬件接口或描述的开源 ISA，而不是开源核心，”安第斯科技总裁 Frankwell Lin 说。 “在 RISC-V 阵营中，从公司到公司，我们都是竞争对手。我们在 RISC-V 标准级别进行合作。但是，在日常业务中，我们必须相互竞争。”

Andes 在嵌入式 RISC 内核和专有 ISA 架构方面拥有十年的经验。 “虽然我们将 90% 的资源用于 RISC-V 开发，但我们仍然拥有我们的专有核心，从事许可业务，而且两者都在工作，”林说。

除了 RISC-V，Lin 还提到了越来越多的开放和行业标准硬件组件。 “在硬件方面，RISC-V 并不是第一个开源的。”例如，Verilog 硬件描述格式是开源的，主要是通过 EDA 领导者 Cadence 和 Synopsys 之间的协议，林说。

同样开放的还有硬件接口标准，例如 PCIe、USB、OpenCL 和 OpenCV，以及用于连接的蓝牙和 WiFi。

随着开放硬件工具名册的增长，一个关键问题是是否需要一个类似于 Linux 内核的基础来刺激开源硬件的采用。与 Linux 一样，社区支持和个别公司的贡献至关重要。

尽管如此，在设计工具和生产设备上的大量投资使得开源硬件很难卖。这些障碍意味着硬件模块必须能够轻松地与现有工具链集成，以解决硬件设计和生产每一层都更加复杂的问题。

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站 EE Times。

相关内容：

• 基于 RISC-V 构建的开源 GPU
• 开源参考板旨在快速部署医用呼吸机
• 对 Arduino 发展的展望
• 我的物联网项目为何选择 Yocto 项目？
• 设计开源智能农业系统

有关 Embedded 的更多信息，请订阅 Embedded 的每周电子邮件通讯。